煤岩强度与变形特征实验研究及其在条带煤柱设计中的应用

摘要

本文在MTS岩石伺服试验系统上针对建新矿13煤进行了单轴压缩、常规三轴压缩、流变试验研究。通过单轴压缩试验，测得了单轴压缩下的力学参数，研究表明其在单轴压缩时的峰值强度阶段的应力－应变曲线相对平稳，在压力峰值持续高应力一段时间后，煤岩试件迅速破坏；尺寸效应可表示为σc=6.928+130.2698exp(-0.10595D)，圆柱体标准试件强度比长方体标准试件的强度大。通过常规三轴压缩试验，分析了在静水压力增加过程中煤岩内部结构先失稳随后稳定的特征；研究表明三轴压缩下的应力应变曲线的压密阶段不是十分明显，甚至消失；随围压增大，煤岩逐渐向剪切破坏方式转化，但建新矿13煤的脆延性转变临界围压值要远远大于其单轴抗压强度；建新矿13煤的弹性模量与围压的关系可以用E=4955.984-3589.106exp(-σ3/1.923)来表达；围压对煤岩强度影响非常明显，随着围压的增加，煤岩的轴向破坏应力及破坏后的残余强度也随之增加；根据库仑准则，建新矿13煤在较低围压下最大主应力差与围压的关系为：σ1-σ3=9.71005+12.4716σ3。通过流变试验，研究了建新矿13煤的流变力学特性；研究表明煤岩整体以塑性破坏且存在破坏的空间不均匀性，在较高的应力水平上，试件发生两类微破裂：第一类是煤岩内的部分微结构达到了变形极限，试件的应变变小而应力变大，随后这些微结构破坏，第二类是煤岩内部的部分微结构在常速变形中达到极限，应变减小、应力也同时减小的忽然破坏；流变模型用四次多项式经验模型表示：ε(t)=0.00551+(2.033E-5)*t-(9.754E-8)*t2-(1.578E-9)*t3+(1.417E-11)*t4。基于已有理论和试验研究结果，分析了建新矿13煤的煤柱体长期强度为2.7088MPa，符合库仑－莫尔物理模型。结合试验研究结果，通过采用FLAC3D拉格朗日差分软件对煤柱稳定性进行模拟研究，对建新矿13煤条带开采进行了优化设计，认为在建新矿的地质情况下，开采13煤时选择25m的采宽和20m的留宽，可以保持煤柱的长期稳定有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的研究意义

1.2国内外研究现状

1.3研究的主要内容

1.4课题研究方法和技术路线

2煤岩基础力学试验研究

2.1煤岩力学性质试验条件及试验设计

2.2煤岩单轴压缩试验

2.3煤岩常规三轴压缩试验

2.4煤岩流变试验

2.5本章结论

3煤柱强度

3.1岩石与岩体

3.2煤柱体的强度理论

3.3建新矿13煤的煤柱体强度

4建新煤矿条带开采煤柱设计

4.1煤柱稳定性分析的基础理论

4.2 FLAC3D简介

4.3建新煤矿中部采区条带开采设计

4.4本章结论

5主要结论

致 谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文